JP6790531B2 - 軟磁性金属粉末および圧粉磁心 - Google Patents

Description

本発明は、軟磁性金属粉末および圧粉磁心に関する。

民生および車載用等の各種電子機器の電源回路に用いられる電子部品として、トランス、チョークコイル、インダクタ等のコイル型電子部品が知られている。

このようなコイル型電子部品は、所定の磁気特性を発揮する磁性体の周囲あるいは内部に、電気伝導体であるコイル（巻線）が配置されている構成を有している。磁性体としては、所望の特性に応じて、種々の材料を用いることができる。従来、コイル型電子部品においては、磁性体として、高透磁率かつ低電力損失であるフェライト材料が用いられてきた。

近年、コイル型電子部品のさらなる小型化、大電流化に対応するため、フェライト材料よりも、飽和磁束密度が高く、高磁界下においても良好な直流重畳特性を有する軟磁性金属材料が磁性体として用いられている。たとえば、軟磁性金属粒子を含む軟磁性金属粉末を圧縮成形して、磁性体としての磁心（コア）を得ることができる。

軟磁性金属材料としては、純鉄、Ｆｅ−Ｓｉ系合金等が例示される。これらの材料は、Ｆｅを主成分とした金属であるため、絶縁性または耐食性（特に、酸化に対する耐食性）を高める必要があった。従来、絶縁性または耐食性を確保する方法として、軟磁性金属粒子に対して、有機物または無機物で構成される絶縁被膜を設けることが行われてきた。

しかしながら、軟磁性金属粉末を圧縮成形する場合、それらの被膜は、軟磁性金属粒子の変形、金型との摩擦等により剥離する恐れがあった。その結果、圧縮成形後の圧粉磁心の絶縁性および耐食性の低下が問題となっていた。

そこで、たとえば、特許文献１には、軟磁性金属粒子として、Ｆｅに、Ｃｏと、Ａｌ、Ｓｉ、Ｃｒ等の元素とを添加した粒子とすることにより、絶縁性を確保することが記載されている。

また、特許文献２には、軟磁性金属粒子として、Ｆｅに、ＣｒおよびＭｎと、Ｓｉ、Ａｌ等の元素とを添加した粒子とすることにより、耐食性を向上させることが記載されている。

特開２００８−２９７６２２号公報 特開２００３−１６０８４７号公報

本発明は、このような実状に鑑みてなされ、その目的は、耐食性の良好な軟磁性金属粉末等を提供することである。

本発明者らは、鉄を主成分とする合金から構成される軟磁性金属材料の耐食性、特に酸化に対する耐食性について検討した結果、湿度が高い環境等の水分が存在するような酸化環境下では、耐食性を向上させる元素として通常用いられるＣｒに依存しなくても、Ｃｏの含有量を特定の範囲に制御することにより軟磁性金属材料が良好な耐食性を示すことを見出し、本発明を完成させるに至った。

また、Ｃｏに加えて、Ｓｉを用いて、その含有量を特定の範囲に制御することにより金属材料が良好な軟磁気特性および耐食性を示すことを見出し、本発明を完成させるに至った。

すなわち、本発明の第１の態様は、
［１］Ｆｅ−Ｃｏ系合金から構成される軟磁性金属粒子を複数含む軟磁性金属粉末であって、
前記Ｆｅ−Ｃｏ系合金は、Ｃｏを０．５０質量％以上８．００質量％以下含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる軟磁性金属粉末である。

上記の軟磁性金属粉末は、水分が存在するような酸化環境下であっても、Ｃｒに依存することなく、酸化に対して良好な耐食性を示すことができる。しかも、Ｃｏは常温で強磁性を示す元素であるため、Ｃｒを含有した場合に悪化する飽和磁化等に関し、所定の磁気特性を発揮することができる。

［２］Ｃｏを１．００質量％以上４．００質量％以下含有する［１］に記載の軟磁性金属粉末である。

Ｆｅ−Ｃｏ系合金におけるＣｏの含有量の割合を上記の範囲とすることにより、上記の効果をより向上させることができる。

［３］前記Ｆｅ−Ｃｏ系合金は、さらにＳｉを０．５０質量％以上８．００質量％以下含有する［１］または［２］に記載の軟磁性金属粉末である。

上記の軟磁性金属粉末が、Ｓｉを上記の範囲で含有することにより、飽和磁化等に関し、所定の磁気特性を発揮しつつ、保磁力を低減できる。

本発明の第２の態様は、
［１］から［３］のいずれかに記載の軟磁性金属粉末から構成される圧粉磁心である。

上記の圧粉磁心は、上記の軟磁性金属粉末を用いて構成されるため、酸化に対して良好な耐食性を有していることに加えて、直流重畳特性等に関し、所定の磁気特性が得られる。さらに、Ｓｉを含有する軟磁性金属粉末を用いて圧粉磁心を構成した場合には、ヒステリシス損に関する磁気特性も良好にできる。

図１は、本発明の実施例および比較例において、Ｃｏの含有量と、軟磁性金属粉末の耐食性との関係を示すグラフである。 図２は、本発明の実施例および比較例において、Ｃｏの含有量と、圧粉磁心の耐食性との関係を示すグラフである。

以下、本発明を、具体的な実施形態に基づき、以下の順序で詳細に説明する。
１．軟磁性金属粉末
２．圧粉磁心
３．軟磁性金属粉末の製造方法
４．圧粉磁心の製造方法
５．本実施形態の効果

（１．軟磁性金属粉末）
本実施形態に係る軟磁性金属粉末は、複数の軟磁性金属粒子の集合体である。本実施形態では、軟磁性金属粒子はＦｅ−Ｃｏ系合金から構成される。Ｆｅ−Ｃｏ系合金としては、第１に、Ｃｏを０．５０質量％以上８．００質量％以下含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなるＦｅ−Ｃｏ合金が例示される。

このＦｅ−Ｃｏ合金は、Ｃｏを含有することにより、粒子表面に薄いＣｏを含む酸化被膜が形成され、腐食の進行が妨げられると考えられる。

したがって、このようなＦｅ−Ｃｏ合金から構成される軟磁性金属粒子を含む軟磁性金属粉末は、水分が存在するような酸化環境下における耐食性を良好にすることができる。しかも、飽和磁化等に関し、所定の磁気特性を発揮することができる。その結果、たとえば、粉末製造時における錆（酸化被膜）の発生、屋外等の多湿環境下における軟磁性金属粉末の酸化を好適に抑制することができる。さらに、当該軟磁性金属粉末を用いて圧粉磁心等の磁性磁心を構成することにより、酸化に対する耐食性が良好であり、かつ所定の磁気特性を有するコイル型電子部品等を得ることができる。

Ｆｅ−Ｃｏ合金において、Ｃｏの含有量は０．５０質量％以上であり、好ましくは１．００質量％以上である。Ｃｏが少なすぎると、耐食性が悪化する傾向にある。

また、Ｆｅ−Ｃｏ合金において、Ｃｏの含有量は８．００質量％以下であり、好ましくは４．００質量％以下である。Ｃｏが多すぎると、耐食性は良好であるものの、保磁力が高くなりすぎ、コイル型電子部品等の磁性体の原料として好ましくない傾向にある。

本実施形態に係るＦｅ−Ｃｏ系合金としては、第２に、Ｃｏを０．５０質量％以上８．００質量％以下、Ｓｉを０．５０質量％以上８．００質量％以下含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなるＦｅ−Ｃｏ−Ｓｉ合金が例示される。このＦｅ−Ｃｏ−Ｓｉ合金もＣｏおよびＳｉを含有することにより、粒子表面に薄いＣｏまたはＣｏおよびＳｉを含む酸化被膜が形成され、腐食の進行が妨げられると考えられる。

したがって、Ｆｅ−Ｃｏ合金と同様に、このようなＦｅ−Ｃｏ−Ｓｉ合金から構成される軟磁性金属粒子を含む軟磁性金属粉末は、水分が存在するような酸化環境下における耐食性を良好にすることができる。しかも、飽和磁化等に関し、所定の磁気特性を発揮することができる。その結果、たとえば、粉末製造時における錆（酸化被膜）の発生、屋外等の多湿環境下における軟磁性金属粉末の酸化を好適に抑制することができる。さらに、当該軟磁性金属粉末を用いて圧粉磁心等の磁性磁心を構成することにより、酸化に対する耐食性が良好であり、かつ所定の磁気特性を有するコイル型電子部品等を得ることができる。特に、Ｆｅ−Ｃｏ−Ｓｉ合金から構成される軟磁性金属粒子を含む軟磁性金属粉末は、Ｆｅ−Ｃｏ合金から構成される軟磁性金属粒子を含む軟磁性金属粉末よりも、飽和磁化等の磁気特性は若干劣る傾向にあるが、保磁力が小さい傾向にある。

Ｆｅ−Ｃｏ−Ｓｉ合金において、Ｃｏの含有量は０．５０質量％以上であり、好ましくは１．００質量％以上である。Ｃｏが少なすぎると、耐食性が悪化する傾向にある。

また、Ｆｅ−Ｃｏ−Ｓｉ合金において、Ｃｏの含有量は８．００質量％以下であり、好ましくは４．００質量％以下である。Ｃｏが多すぎると、耐食性は良好であるものの、保磁力が高くなりすぎ、コイル型電子部品等の磁性体の原料として好ましくない傾向にある。

さらに、Ｆｅ−Ｃｏ−Ｓｉ合金において、Ｓｉの含有量は０．５０質量％以上であり、好ましくは３．００質量％以上である。Ｓｉを含むことにより、保磁力を低減できる。

また、Ｆｅ−Ｃｏ−Ｓｉ合金において、Ｓｉの含有量は８．００質量％以下であり、好ましくは６．５５質量％以下である。Ｓｉが多すぎると、保磁力の低減効果は大きくなるものの、飽和磁化等の磁気特性が悪化する傾向にあるため、コイル型電子部品等の磁性体の原料として好ましくない傾向にある。

上記のＦｅ−Ｃｏ系合金（Ｆｅ−Ｃｏ合金およびＦｅ−Ｃｏ−Ｓｉ合金）は、通常、不可避的不純物を含んでいる。この不可避的不純物は、目的物（本実施形態では、軟磁性金属粉末）の原料、あるいは、製造過程等において混入し、目的物に残存する微量成分であり、目的物の所定の特性に影響を与えない程度で含有されている。

したがって、不可避的不純物は、目的物の純度の観点からは除去した方がよいが、除去に要するコスト等と、所望の特性とのバランスを考慮して、目的物に所定量残存することが許容される成分である。

本実施形態では、不可避的不純物としては、Ｃ、Ｐ、Ｓ、Ｎ、Ｏ等が例示される。

また、本実施形態に係るＦｅ−Ｃｏ系合金に関して、Ｓｉ以外の添加元素として、たとえば、Ａｌ等が考えられるが、これらの元素は飽和磁化等に関して所定の磁気特性が悪化する傾向にあるため、好ましくない。

本実施形態に係る軟磁性金属粉末の平均粒子径（Ｄ５０）は、用途に応じて選択すればよい。本実施形態では、平均粒子径（Ｄ５０）は、１〜１００μｍの範囲内であることが好ましい。軟磁性金属粉末の平均粒子径を上記の範囲内とすることにより、十分な成形性あるいは所定の磁気特性を維持することが容易となる。平均粒子径の測定方法としては、特に制限されないが、レーザー回折散乱法を用いることが好ましい。なお、軟磁性金属粉末を構成する軟磁性金属粒子の形状は特に制限されない。

（２．圧粉磁心）
本実施形態に係る圧粉磁心は、上述した軟磁性金属粉末から構成され、所定の形状を有するように形成されていれば特に制限されない。本実施形態では、当該圧粉磁心は、当該軟磁性金属粉末と結合剤とを含み、当該軟磁性金属粉末を構成する軟磁性金属粒子同士が結合剤を介して結合することにより所定の形状に固定されている。また、当該圧粉磁心は、上述した軟磁性金属粉末と他の磁性粉末との混合粉末から構成され、所定の形状に形成されていてもよい。

このような圧粉磁心は、上述した軟磁性金属粉末から構成されているので、酸化に対する耐食性が良好であることに加えて、直流重畳特性等に関し、所定の磁気特性を発揮することができる。

（３．軟磁性金属粉末の製造方法）
続いて、上記の軟磁性金属粉末を製造する方法について説明する。本実施形態では、軟磁性金属粉末は、公知の軟磁性金属粉末の製造方法と同様の方法を用いて得ることができる。具体的には、ガスアトマイズ法、水アトマイズ法、回転ディスク法等を用いて製造することができる。これらの中では、所望の磁気特性を有する軟磁性金属粉末が得られやすいという観点から、ガスアトマイズ法を用いることが好ましい。

本実施形態に係る軟磁性金属粉末は、上述したように、水分が存在するような酸化環境下においても良好な耐食性を有しているので、水アトマイズ法による粉末製造時においても錆の発生を効果的に抑制することができる。

水アトマイズ法またはガスアトマイズ法では、溶融した原料（溶湯）をルツボ底部に設けられたノズルを通じて線状の連続的な流体として供給し、供給された溶湯に高圧の水またはガスを吹き付けて、溶湯を液滴化するとともに、急冷して微細な粉末を得る。

本実施形態では、Ｆｅの原料、Ｃｏの原料およびＳｉの原料を溶融し、この溶融物を、水アトマイズ法またはガスアトマイズ法により微粉化することにより、本実施形態に係る軟磁性金属粉末を製造することができる。

（４．圧粉磁心の製造方法）
本実施形態では、このようにして得られた軟磁性金属粉末を用いて、圧粉磁心を製造する。磁心の製造方法としては、特に制限されず、公知の方法を採用することができる。まず、軟磁性金属粉末と、結合剤としての公知のバインダとを混合し、混合物を得る。また、必要に応じて、得られた混合物を造粒粉としてもよい。そして、混合物または造粒粉を金型に充填して圧縮成形し、作製すべき磁性体（磁心）の形状を有する成形体を得る。得られた成形体に対して、熱処理を行うことにより、軟磁性金属粒子が固定された所定形状の圧粉磁心が得られる。得られた圧粉磁心に、巻線を所定回数だけ巻回することにより、インダクタ等のコイル型電子部品が得られる。

また、上記の混合物または造粒粉と、巻線を所定回数だけ巻回して形成された空心コイルとを、金型に充填して圧縮成形しコイルが内部に埋設された成形体を得てもよい。得られた成形体に対して、熱処理を行うことにより、コイルが埋設された所定形状の圧粉磁心が得られる。このような圧粉磁心は、その内部にコイルが埋設されているので、インダクタ等のコイル型電子部品として機能する。

（５．本実施形態の効果）
上記の（１）から（４）において説明した本実施形態では、軟磁性金属粉末に含まれる軟磁性金属粒子を、Ｆｅ−Ｃｏ合金粒子またはＦｅ−Ｃｏ−Ｓｉ合金粒子で構成し、ＣｏおよびＳｉの含有量範囲を特定の範囲としている。

このようにすることにより、本実施形態に係る軟磁性金属粉末は、耐食性を向上させる元素として通常用いられるＣｒに依存することなく、酸化に対する耐食性を向上させることができる。したがって、水アトマイズ法による粉末製造時における粉末の酸化（錆の発生）を抑制できる。また、水分が存在するような多湿環境下であっても、粉末の酸化（錆の発生）を抑制できる。しかも、飽和磁化等の磁気特性を悪化させるＣｒではなく、常温で強磁性を示すＣｏを含有しているので、飽和磁化等の磁気特性をも良好にすることができる。

また、Ｃｏに加えて、Ｓｉを特定の範囲内で含有することにより、飽和磁化等の低下を抑制して所定の磁気特性を維持しつつ、保磁力を低減することができる。

また、本実施形態に係る圧粉磁心は、本実施形態に係る軟磁性金属粉末で構成することにより、酸化に対する耐食性が良好になる。したがって、水分が存在するような多湿環境下であっても、磁心表面における錆の発生を抑制でき、磁心が有する磁気特性が損なわれず、直流重畳特性等に関し、所定の磁気特性を発揮することができる。また、Ｆｅ−Ｃｏ−Ｓｉ合金粒子を含む軟磁性金属粉末から構成される圧粉磁心については、保磁力が低減されているので、ヒステリシス損を低減することができる。

以上、本発明の実施形態について説明してきたが、本発明は上記の実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の範囲内において種々の態様で改変しても良い。

以下、実施例を用いて、発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

（実験例１）
まず、原料として、Ｆｅ単体およびＣｏ単体のインゴット、チャンク（塊）、またはショット（粒子）を準備した。次に、それらを混合して、ガスアトマイズ装置内に配置されたルツボに収容した。続いて、不活性雰囲気下において、ルツボ外部に設けたワークコイルを用いて、ルツボを高周波誘導により１６００℃以上まで加熱し、ルツボ中のインゴット、チャンクまたはショットを溶融、混合して溶湯を得た。

次いで、ルツボに設けられたノズルから、線状の連続的な流体を形成するように供給された溶湯に、１〜１０ＭＰａのガス流を衝突させ、液滴化すると同時に急冷することにより、Ｆｅ−Ｃｏ合金粒子からなる軟磁性金属粉末を製造した。

得られた軟磁性金属粉末を篩い分けして、粒度を調整し、平均粒子径を２５μｍである軟磁性金属粉末を得た。

得られた軟磁性金属粉末をペレット化して蛍光Ｘ線分析法により組成分析した結果、表１に示す組成を有していた。

続いて、得られた軟磁性金属粉末の磁気特性および耐食性を評価した。磁気特性は、飽和磁化および保磁力を測定した。まず、飽和磁化は、玉川製作所製ＶＳＭ（振動試料型磁力計）を用いて測定した。本実施例では、飽和磁化は大きいほど好ましい。結果を表１に示す。

保磁力は、φ６ｍｍ×５ｍｍのプラスチックケースに２０ｍｇの粉末を入れ、パラフィンを融解、凝固させて固定したものを、東北特殊鋼製保磁力計（K-HC1000型）を用いて測定した。測定磁界は１５０ｋＡ／ｍとした。保磁力は、粉末粒子径にも影響されるため、絶対値による評価は必要ないが、本実施例では、保磁力は純鉄（比較例１ａ）が示す保磁力に近いほど好ましく、１３００Ａ／ｍ程度であれば許容範囲内である。結果を表１に示す。

耐食性は以下のようにして評価した。まず、得られた軟磁性金属粉末を５％食塩水溶液に浸漬して、３５℃で２４時間維持する試験を行った。試験後の軟磁性金属粉末をイオン交換水で洗浄し、乾燥させた後、試験前後の重量から錆(酸化)による重量変化を算出し、耐食性の評価を行った。結果を表１に示す。なお、表１において、重量変化率が０．３００％以上の場合を「×」と表記し、耐食性が低いと判定した。重量変化率が０．２５０％以上０．３００％未満の場合を「△」と表記し、耐食性を有すると判定した。重量変化率が０．１５０％以上０．２５０％未満の場合を「○」と表記し、耐食性が優れていると判定した。重量変化率が０．１５０％未満の場合を「◎」と表記し、耐食性が非常に優れていると判定した。

続いて、圧粉磁心の評価を行った。熱硬化樹脂であるエポキシ樹脂および硬化剤であるイミド樹脂の総量が、得られた軟磁性金属粉末１００質量％に対して４質量％となるようにして、さらにアセトンに加えて溶液化し、その溶液と軟磁性金属粉末とを混合した。混合後、アセトンを揮発させて得られた顆粒を、３５５μｍのメッシュで整粒した。これを外径１７．５ｍｍ、内径１１．０ｍｍのトロイダル形状の金型に充填し、成形圧５８８ＭＰａで加圧し圧粉磁心の成形体を得た。成形体重量は５ｇとした。作製した圧粉磁心の成形体を１８０℃で３時間、大気中での熱硬化処理を行った。

熱硬化処理後の圧粉磁心に巻線を巻きつけ（一次巻線：５０ｔｓ、二次巻線：１０ｔｓ）、直流磁化測定装置(METRON SK110)を用いて、磁界８ｋＡ／ｍにおける磁束密度を測定した。本実施例では、磁束密度が大きいほど好ましい。結果を表２に示す。また、直流重畳特性は、ＬＣＲメータ（アジレント・テクノロジー社製４２８４Ａ）と直流バイアス電源（アジレント・テクノロジー社製４２８４１Ａ）を用いて測定を行った。結果を表２に示す。表２において、直流重畳特性における初透磁率はμ₀とし、μ₀が８０%まで低下する磁場をＨ（μ₀×０．８）と記載した。

また、保磁力は、軟磁性金属粉末の場合と同様にして、保磁力計(東北特殊鋼社製、K-HC1000型)にて測定した。結果を表２に示す。

耐食性は以下のようにして評価した。まず、作製した圧粉磁心の成形体に対し、５％食塩水溶液を噴霧して、３５℃で２４時間保持する試験を行った。試験後の圧粉磁心をイオン交換水で洗浄し、乾燥させた後、発錆状況を光学顕微鏡（５０倍）で観察し、任意の視野内において、錆と考えられる部分に印をつけ、錆が占める面積率を市販の画像解析ソフト (Mountech社製のMac View)を用いて計算した。結果を表２に示す。なお、表２において、錆が占める面積率が１０．０％以上の場合を「×」と表記し、耐食性が低いと判定した。面積率が８．０％以上１０．０％未満の場合を「△」と表記し、耐食性を有すると判定した。面積率が５．０％以上８．０％未満の場合を「○」と表記し、耐食性が優れていると判定した。面積率が５．０％未満の場合を「◎」と表記し、耐食性が非常に優れていると判定した。

表１より、Ｆｅ−Ｃｏ合金におけるＣｏの含有量が上述した範囲内である場合には、良好な耐食性が得られていることが確認できた。また、磁気特性も良好であることが確認できた。

一方、Ｃｏの含有量が少なすぎる場合には、耐食性が悪化する傾向にあることが確認できた。また、Ｃｏの含有量が多すぎる場合には、耐食性の向上効果が飽和する傾向にあるのに対し、保磁力が大きくなるので好ましくないことが確認できた。

上記の傾向は、Ｃｏの含有量と軟磁性金属粉末の耐食性との関係を示すグラフである図１からも明らかである。すなわち、図１は、Ｃｏの含有量が増えるにつれ、耐食性が良好になることを示している。

また、表２より、圧粉磁心についても、表１の粉体と同様に、良好な耐食性および磁気特性が得られていることが確認できた。上記の傾向は、図１と同様に、Ｃｏの含有量と、圧粉磁心の耐食性と、の関係を示すグラフである図２からも明らかである。

（実験例２）
原料として、Ｆｅ単体およびＣｏ単体に加えて、Ｓｉ単体を用いて、Ｆｅ−Ｃｏ−Ｓｉ合金とした以外は、実験例１と同じ方法により粉末試料を作製し、実験例１と同じ方法により組成および粉体特性を評価した。結果を表３に示す。

また、上記で作製したＦｅ−Ｃｏ−Ｓｉ合金の軟磁性金属粉末を用いて、実験例１と同じ方法により圧粉磁心の試料を作製し、実験例１と同じ方法により磁心特性を評価した。結果を表４に示す。

表３より、Ｆｅ−Ｃｏ−Ｓｉ合金の場合についても、実験例１と同様に、Ｃｏの含有量およびＳｉの含有量が上述した範囲内である場合には、良好な耐食性が得られていることが確認できた。図１も、Ｓｉの含有量が６．５質量％の場合に、Ｃｏの含有量が増えるにつれ、耐食性が良好になることを示している。また、磁気特性も良好であることが確認できた。

また、表４より、圧粉磁心についても、表３の粉体と同様に、良好な耐食性および磁気特性が得られていることが確認できた。図２も、Ｓｉの含有量が６．５質量％の場合に、Ｃｏの含有量が増えるにつれ、耐食性が良好になることを示している。

Claims (2)

1. Ｆｅ−Ｃｏ系合金から構成される軟磁性金属粒子を複数含む軟磁性金属粉末であって、
   前記Ｆｅ−Ｃｏ系合金は、Ｃｏを０．５０質量％以上４．００質量％以下、Ｓｉを０．５０質量％以上８．００質量％以下含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる軟磁性金属粉末（ただし、Ｓｉの含有量が６．５〜６．６質量％の範囲を除く）。
2. 請求項１に記載の軟磁性金属粉末から構成される圧粉磁心。

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